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激光驅動X射線成像的數值能力新突破

2022/11/6 21:07:53??????點擊:

日前,由內華達大學雷諾分校物理系副教授Hiroshi Sawada帶領的一組科學家證明,數值模擬可以用激光產生的x射線精確地再現X射線圖像。這些圖像是研究人員使用基于啁啾脈沖放大技術的50太瓦特激光器獲得的。

該實驗所建立的建模方法可以作為一種預測工具,在不進行基于輻射的實驗的情況下模擬復雜三維實體的射線圖像。該論文發布在Plasma Physics and Controlled Fusion上,闡明了一種利用廣泛可用的數值工具對X射線圖像進行建模和預測的數值方法。

高強度激光在激光-目標相互作用中產生強烈的X射線光束。這種激光產生的X射線已被應用于記錄各種物體的X射線圖像,包括壓縮的激光聚變燃料,但是直到現在還沒有一種用于射線圖像定量比較的數值工具。

Sawada說:“真實模擬激光產生的x射線攝影所面臨的一大挑戰就是其本身的空間尺度。普遍來說,數值模擬需要在比實際實驗小得多的空間尺度上模擬物理現象。為了克服這一局限性,我們將模型分為兩個步驟:我們首先利用細分析率空間網格計算X射線的生成,然后利用計算出的X射線源計算X射線圖像,同時用一個粗網格在真實的實驗尺度上再現X射線圖像?!?

圖片來源:內華達大學雷諾分校

研究人員表示激光產生的X射線源有望成為從軟組織到重金屬物體的無損工業成像和醫學成像的替代來源。在論文中,他們提出了快速電子、X射線源表征和寬帶X射線照相數值模擬的實驗基準。結果表明,對于不同的x射線衰減濾波器,實驗結果與模擬結果在定性和定量上一致。

Sawada是內華達大學雷諾分校科學學院的一名教師,他和物理學本科生克里斯·薩利納斯(Chris Salina)在2018年春天開始了建模項目。他說:“如果沒有學生的幫助,這項工作永遠不會發表?!?

這兩步模擬的第一部分是物理學畢業生泰勒·戴金(Tyler Daykin)論文的基礎,它使研究人員能夠確定激光產生的X射線的特性。此外,物理系畢業生安東尼·巴斯(Anthony Bass )和布蘭登·格里芬(Brandon Griffin)還幫助獲得了火花塞的X射線圖像。

“2013年12月,我們進行了為期兩周的實驗,最初并沒有計劃對火花塞圖像進行測量?!盨awada說道?!皩嶒為_始時,由于暴風雪,原計劃同事送來的診斷結果被推遲了。我們只有要照射的金屬目標和X射線成像探測器。為了不浪費在脈沖功率實驗室的發射時間,我們開始對目標進行照射,并對我們能在實驗室找到的工具和電子部件進行X射線成像,這樣至少我們可以獲得有視覺吸引力的X射線圖像。安東尼和布蘭登想出了一個主意,給一個摩托車火花塞用射線照相,結果我們得到的圖像顯示了清晰明顯的強度對比。然后,我們用它來系統研究X射線衰減過濾器的變化是如何改變圖像質量的?!?

自啁啾脈沖放大技術問世以來(該技術于2018年獲得諾貝爾物理學獎),緊聚焦激光束的峰值功率一直在穩步增長,使得這種激光器不僅適用于激光指針或激光照明顯示器,還可用于各種應用。

強短脈沖激光器與固體相互作用產生的高能X射線已被廣泛應用于等離子體科學、醫學成像、工業和國家安全等領域。與成熟的X射線管相比,激光制造的X射線源具有源尺寸小、持續時間短、光子數高和X射線光譜可調的優點。

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